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Die Erfindung betrifft eine elektrisch betätigbare Längen-Verstell-Vorrichtung.
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Derartige, beispielsweise aus der
EP 0 614 632 B2 bekannte Längen-Verstell-Vorrichtungen weisen ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse mit einer Mittel-Längs-Achse auf. Das Gehäuse ist an einem Ende verschlossen und mit einem Fluid gefüllt. Weiterhin ist eine koaxial angeordnete, aus einem dem verschlossenen Ende entgegen gesetzten Ende des Gehäuses herausgeführte Kolbenstange vorgesehen, die gegenüber dem Gehäuse verschiebbar ist. Innerhalb des Gehäuses ist an der Kolbenstange ein Kolben angebracht. Der Kolben trennt den Innenraum des Gehäuses in zwei Teil-Gehäuseräume, die mittels eines von außen betätigbaren Ventils miteinander verbindbar oder voneinander trennbar sind. Bei einer ersten Variante ist die Ventil-Einheit im Kolben angeordnet. In diesem Fall ist das Gehäuse als sogenanntes Ein-Rohr-Gehäuse ausgebildet. Bei einer zweiten Variante ist die Ventil-Einheit im Bereich des verschlossenen Endes des Gehäuses angeordnet. Hierbei ist das Gehäuse als sogenanntes Zwei-Rohr-Gehäuse ausgebildet, wobei zwischen den beiden das Gehäuse bildenden Rohren ein Ringkanal ausgebildet ist, der die Teil-Gehäuse-Räume miteinander verbindet. In diesem Überström-Kanal ist die Ventil-Einheit angeordnet. Ein Betätigungsstift zur Betätigung der Ventil-Einheit ist je nach der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung entweder direkt aus dem Gehäuse heraus oder durch die hohl ausgebildete Kolbenstange herausgeführt.
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Das Gehäuse kann mit Druckgas als Fluid gefüllt sein. In diesem Fall ist die Längen-Verstell-Vorrichtung zwar längeneinstellbar und in dieser Längeneinstellung blockierbar; in der Blockierstellung bleibt aber noch eine gewisse Federwirkung erhalten. In dieser Ausführung werden derartige Längen-Verstell-Vorrichtungen bevorzugt in Stuhlsäulen zur Höhenverstellung der Sitzflächen eingesetzt. Bei Füllung der Gehäuse-Räume mit Öl als Fluid ist die Versteil-Vorrichtung in einer bestimmten Längeneinstellung fest blockiert. Bei dieser Ausgestaltung muss noch ein gasgefüllter Ausgleichs-Raum vorhanden sein, der in der Regel mittels eines verschiebbaren Trennkolbens von dem mit Öl gefüllten Gehäuse-Raum getrennt wird. Derartige Längen-Verstell-Vorrichtungen sind seit vielen Jahrzehnten bekannt und werden in vielen Bereichen oft eingesetzt.
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Bei der aus der
EP 0 614 632 B2 bekannten Ausgestaltung ist entweder direkt auf das Gehäuse oder auf das freie Ende der Kolbenstange eine Ventil-Betätigungs-Einheit aufgesetzt, mittels derer der Betätigungsstift für die Ventil-Einheit hydraulisch oder elektromagnetisch verschoben werden kann. Eine solche Zusatz-Einrichtung ist aufwändig und verlängert die Verstell-Vorrichtung.
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In der
DE 10 2006 009 887 wird ebenfalls eine Lösung mit einer elektromagnetisch auslösbaren Ventileinheit vorgestellt. Es wird vorgeschlagen, die elektromagnetische Ventileinheit vollständig in das Zylindergehäuse der Längen-Verstell-Vorrichtung zu integrieren. Es werden Lösungen für Einrohr- und Zweirohrausführungen offengelegt. Der Vorteil liegt darin, dass ein kompakter Aufbau möglich ist und zur Ventilbetätigung ein geringerer Kraftaufwand benötigt wird; im Gegensatz dazu muss die Kraft zur Ventilbetätigung in der vorgeschlagenen Lösung nach der
EP 0 614 632 B2 durch eine Dichtung hindurch in den Zylinderinnenraum geführt werden. Die Dichtungsreibung muss z. B. durch einen Elektromagneten zusätzlich überwunden werden. Nachteilig an der
DE 10 2006 009 887 ist, dass das Ventil eine Ruhestellung aufweist. In dem in
1 gezeigten Fall ist dies im stromlosen Zustand die geschlossene Stellung (Längen-Verstell-Vorrichtungen ist blockiert). Soll dass die Längen-Verstell-Vorrichtungen jedoch im nicht blockierten Zustand verwendet werden, muss der Elektromagnet permanent bestromt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Längen-Verstell-Vorrichtung zu schaffen, die einfach aufgebaut ist, in ihrer Längeneinstellung blockierbar ist und sowohl eine blockierte als auch ein unblockierte Stellung im stromlosen Zustand ermöglicht. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Das Fluid in der erfindungsgemäßen Verstell-Vorrichtung kann kompressibel oder inkompressibel sein. Die Ventil-Einheit ist also geöffnet oder geschlossen, wozu nur der Ventil-Sitz und die Anlage-Fläche voneinander abgehoben werden müssen. Die Dämpfungs-Charakteristik bzw. Drossel-Charakteristik ergibt sich durch die Strömungsquerschnitte des Ventils.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung. Es zeigt:
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1 einen Längsschnitt der Längenverstellvorrichtung gemäß der Erfindung,
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2 einen Teilausschnitt aus 1 in vergrößerter Darstellung,
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Die in 1 und 2 dargestellte längenverstellbare Gasfeder weist ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse 1 auf, in dem koaxial zur Mittel-Längs-Achse 2 ein Innen-Rohr 3 angeordnet ist. Das Gehäuse 1 ist an einem Ende mittels eines Bodens 4 verschlossen, mit Gewinde 5 ist ein Befestigungselement 6 verbunden. Der Boden 4 ist im Gehäuse 1 durch eine Umbördelung 7 des Gehäuses 1 in Richtung der Achse 2 gegen ein Herausdrücken aus dem Gehäuse 1 geschützt.
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An dem den Boden 4 entgegen gesetzten Ende ist eine Führungs- und Dichtungseinheit 8 angeordnet, durch die eine Kolbenstange 9 nach außen herausgeführt ist, an deren äußerem freien Ende ein Gewinde zum Aufschrauben des Befestigungselements 10 angebracht. Die Führungs- und Dichtungseinheit 8 dichtet gegen die Innenwand des Gehäuses 1, die Innenwand des Innenrohres 3 und die Kolbenstange 9 ab, sodass das Gehäuse 1 insgesamt an diesem Ende ebenfalls nach außen flüssigkeits- und gasdicht ausgebildet ist.
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An dem im Gehäuse 1 befindlichen Ende der Kolbenstange 9 ist ein Kolben 11 angebracht, der an der Innenwand des Innenrohres 3 geführt und gegenüber dieser mittels einer Dichtung 12 abgedichtet ist. Der Kolben 11 unterteilt den Innenraum des Innenrohres 3 in zwei voneinander getrennte und gegeneinander abgedichtete Teil-Gehäuse-Räume 13, 14, von denen der Teil-Gehäuse-Raum 14 zwischen dem Kolben 11 und der Führungs- und Dichtungseinheit 8 angeordnet ist.
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Zwischen dem Gehäuse 1 und dem Innenrohr 3 ist ein ringzylindrischer Ausgleichsraum 15 ausgebildet, der an einem Ende durch die Führungs- und Dichtungseinheit 8 abgedichtet ist und der an seinem anderen, dem Boden 4 zugewandten Ende durch einen ringförmigen Trennkolben 16 verschlossen ist, der mittels Dichtungen 17, 18 gegenüber dem Gehäuse 1 bzw. dem Innen-Rohr 3 abgedichtet und in Richtung der Achse 2 zwischen Gehäuse 1 und Innenrohr 3 verschiebbar ist. Der Ausgleichsraum 15 ist mit dem Teil-Gehäuse-Raum 14 mittels Verbindungskanälen 15a verbunden, die unmittelbar benachbart zur Führungs- und Dichtungseinheit 8 angeordnet sind. Der Ausgleichsraum 15 und der Teil-Gehäuse-Raum 14 sind mit Gas unter Druck gefüllt.
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An dem dem Boden 4 benachbarten, dem Kolbenstangenaustritt also entgegen gesetzten Ende des Gehäuses 1 ist in diesem eine Ventileinheit 19 angeordnet. Diese weist ein Ventilsitz-element 20 auf, das nach Art eines Verschlussstopfens ausgebildet und an dem der Führungs- und Dichtungseinheit entgegen gesetzten Ende des Innenrohres 3 angeordnet und gegenüber diesem mittels einer Dichtung 21 abgedichtet ist.
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Im Ventilsitzelement 20 ist eine zylindrische Ventilöffnung 22 ausgebildet, die auf ihrer dem Teil-Gehäuse-Raum 13 abgewandten Seite mittels eines Verbindungskanals 23 mit einem Speicherraum 24 verbunden ist. Dieser Speicherraum 24 ist auf der dem Ausgleichsraum 15 abgewandten Seite des Trennkolbens 16 zwischen dem Gehäuse 1 und dem Innenrohr 3 ausgebildet. Der Speicherraum 24 und der benachbarte Teil-Gehäuse-Raum 13 sind mit inkompressiblem Fluid, also Öl, gefüllt.
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Die Ventilöffnung 22 ist auf ihrer dem Teil-Gehäuse-Raum 13 abgewandten Seite mittels eines Ventil-Betätigungs-Elements 25 verschließbar, sodass eine Verbindung zwischen dem Teil-Gehäuse-Raum 13 und dem Speicherraum 24 über die Ventilöffnung 22 und dem Verbindungskanal 23 geöffnet bzw. verschlossen werden kann. Das Ventil-Betätigungs-Element 25 ist als rohrförmiger, also zylindrischer Zapfen ausgebildet. Das Ventil-Betätigungs-Element 25 weist an seiner der Ventilöffnung 22 zugewandten Seite ein rohrförmiges Ende 26 auf, das in die Ventilöffnung 22 eintauchen kann. Zwischen dem Rohrende 26 und der Wand der Ventilöffnung 22 verbleibt ein ringförmiger Drosselspalt 27, dessen Drosselwirkung von der Eintauchtiefe des Rohrendes 26 in die Ventilöffnung 22 abhängt.
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An dem Ventilsitzelement 20 ist weiterhin ein ringförmig zum Ventil-Betätigungs-Element 25 vorspringender Ventilsitz 28 ausgebildet, an dem eine entsprechende stirnseitige Anlagefläche 29 des Ventil-Betätigungs-Elements 25 in geschlossenem Zustand der Ventil-Einheit 19 dichtend anliegt. In der in den 1 und 2 dargestellten Position ist die Ventil-Einheit 19 also vollständig geschlossen; wenn das Ventil-Betätigungs-Element 25 – in den Zeichnungsfiguren 1 und 2 leicht nach links – aus der geschlossenen Stellung verschoben ist, wenn also die Anlagefläche 29 vom Ventilsitz 28 abgehoben ist, dann ist die Ventileinheit 19 geöffnet; im Drosselspalt 27 findet aber bei einem Überströmen von Fluid aus dem Teil-Gehäuse-Raum 13 in den Speicherraum 24 oder umgekehrt eine Drosselung statt, deren Maß davon abhängt, wie tief das Rohrende 26 in die Ventilöffnung 22 eintaucht. Je tiefer er eintaucht, umso größer ist die Dämpfung und umgekehrt. Das Ventil-Betätigungs-Element 25 wird mittels einer elektromagnetischen Ventil-Betätigungs-Einheit 30 betätigt, also in Richtung der Achse 2 aus einer geöffneten in eine geschlossene Stellung oder umgekehrt geschoben.
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Die Ventil-Betätigungs-Einheit 30 weist ein ringzylindrisches, mehrteiliges Magnetgehäuse 31 auf, das aus ferromagnetischem Material, beispielsweise also Eisen, besteht. In diesem Magnetgehäuse 31 ist ein sich über den größten Teil der Länge des Gehäuses 31 erstreckender ringzylindrischer Spulenraum 32 ausgebildet, in dem eine Magnetspule 33 angeordnet ist, deren Kabelanschlüsse 34, 35 durch den Boden 4 nach außen herausgeführt sind.
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Im ringzylindrischen Magnetgehäuse 31 ist das Ventil-Betätigungs-Element 25 verschiebbar angeordnet. Es besteht ebenfalls aus ferromagnetischem Werkstoff und dient als Magnetanker bzw. Kern der Ventil-Betätigungs-Einheit 30. Das Element 25 ist unter Freilassung eines sehr engen Ausgleichskanals 36 in dem Magnetgehäuse 31 angeordnet. Die Spaltweite des Ausgleichkanals 36 soll gering sein, damit kein nennenswerter magnetischer Widerstand durch einen Spalt zwischen dem als Anker dienenden Element 25 und der Innenwand 37 des Magnetgehäuses 31 auftritt.
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Im Boden 4, der ebenfalls Teil des Magnetgehäuses 31 ist, ist eine zylindrische Kompensationskammer 38 ausgebildet, in die ein Druckausgleichsrohr 39 hineinragt, das das Element 25 in seiner Längsrichtung durchsetzt und in diesem fest und flüssigkeitsdicht angebracht ist. Der Durchmesser d der Kompensationskammer 38 ist im Wesentlichen gleich dem Durchmesser d der Ventilöffnung 22. Das Druckausgleichsrohr 39 ist in der zylindrischen Kompensationskammer 38 mittels einer Dichtung 40 abgedichtet verschiebbar geführt. Das Ventil-Betätigungs-Element 25 weist also einen den Teil-Gehäuse-Raum 13 ständig mit dem Rohr 39 und damit mit der Kompensationskammer 38 verbindenden Druckausgleichskanal 41 auf. Aufgrund der geschilderten Durchmesserverhältnisse wirken also auf das als Anker dienende Element 25 sowohl vom Teil-Gehäuse-Raum 13 als auch von der Kompensationskammer 38 her im Wesentlichen gleiche, einander entgegengesetzt gerichtete Druckkräfte, sodass das Element 25 selbst im geschlossenen Zustand der Ventileinheit 19 keinen in Längsrichtung wirkenden Druckkräften ausgesetzt ist. Grundsätzlich gilt, dass die erwähnten Durchmesser d identisch sind; es kann aber in Einzelfällen zweckmäßig sein, geringfügige Unterschiede der Durchmesser vorzusehen, damit die Ventileinheit 19 leichter öffnet oder – umgekehrt – eine höhere Schließkraft hat.
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Im Boden 4 ist konzentrisch zur Achse 2 eine zylinderförmige Ausnehmung vorhanden, in der sich ein kreisringförmiger Permanentmagnet 42 befindet; durch dessen Innenbohrung das Druckausgleichsrohr 39 konzentrisch hindurchragt. Der Permanentmagnet 42 ist axial – also in Richtung der Achse 2 – magnetisiert.
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Gegen die Stirnfläche 46 des Permanentmagneten 42 stützt sich eine Rückstellfeder 43 ab, die wiederum gegen einen Anschlag 44 im Element 25 anliegt, sodass aufgrund der Vorspannung dieser als Schraubendruckfeder ausgebildeten Rückstellfeder 43 das Element 25 mit dem Ventil-Betätigungs-Element 25 grundsätzlich in eine in 1 und 2 dargestellte Schließ-Stellung gedrückt wird, in der also die Anlagefläche 29 des Elementes 25 dicht gegen den Ventilsitz 28 anliegt und damit die Ventileinheit 19 verschlieft.
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Zwischen der dem Permanentmagneten 42 zugewandten Stirnseite 45 des Elements 25 und der zugewandten Fläche 46 des Permanentmagneten 42 ist bei geschlossener Ventileinheit 19 ein Verschieberaum 47 ausgebildet, über den sich das Element 25 längs der Achse 2 bewegen kann. Der Raum 47 ist von einem magnetische nicht leitfähigen Rohr 48 im Magnetgehäuse 31 umgeben, das beispielsweise durch Messing gebildet sein kann, um zu verhindern, dass ein magnetischer Kurzschluss im Magnetgehäuse 31 eintritt, dass also ein bei Strombeaufschlagung der Magnetspule 33 auftretender Magnetfluss 49 das als Anker dienende Ventil-Betätigungs-Element 25 nicht durchsetzt, sondern durch das Magnetgehäuse 31 verläuft. Wie 2 entnehmbar ist, durchsetzt der Magnetfluss 49 bei einer Strombeaufschlagung der Spule 33 das Magnetgehäuse 31 an der dem Gehäuse 1 und dem Speicherraum 24 zugewandten Seite, verläuft dann im Wesentlichen durch das Element 25 und schließt sich durch den Permanentmagnet 42 über den Boden 4 wieder. Die Magnetspule 33 wird zum Öffnen der Ventileinheit 19 in der Weise mit Strom durchflossen, dass sich ein Magnetfuß 49 in der in 2 dargestellten Pfeilrichtung ergibt. Der Permanentmagnet 42 ist so in den Boden 4 eingesetzt, dass sich der magnetische Südpol an der Stirnseite 46 befindet. Der Permanentmagnet 42 verstärkt daher den durch die Magnetspule 33 erzeugten Magnetfluss 49. Ein Öffnen der Ventileinheit 19 kann auch erreicht werden, wenn der Magnetfluß 49 in der entgegengesetzt zu der in 2 gezeichneten Richtung verläuft; dazu ist die Stromrichtung in der Magnetspule 33 durch Umpolung der Litzen 34 und 35 zu ändern und der Permanentmagnet 42 so anzuordnen, dass der magnetische Nordpol mit der Stirnseite 46 zur Stirnseite 45 der Ventil-Betätigungs-Element 25 ausgerichtet ist. Das Rohr 48 ist mit einer Dichtung 50 gegenüber dem Boden 4 abgedichtet.
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Auf das als Anker dienende Element 25 wird also eine Kraft in Richtung Permanentmagnet 42 ausgeübt, d. h. die Anlagefläche 29 wird vom Ventilsitz 28 abgehoben und damit die Ventileinheit 19 geöffnet und – je nach Stärke der Strombeaufschlagung – der Schieber 26 aus der Ventilöffnung 22 herausgezogen. Zum Öffnen muss im Wesentlichen nur die über die Verschiebung des Elements 25 linear zunehmende Kraft der Rückstellfeder 43 überwunden werden. Sobald die Stirnfläche 45 des Ventil-Betätigungs-Element 25 sich sehr nahe an der Stirnfläche 46 des Permanentmagneten 42 befindet, kann die Magnetspule 33 stromlos geschaltet werden, der Magnetfluss 49 allein durch den Permanentmagnet 42 ist jetzt kräftig genug, um das Ventil-Betätigungs-Element 25 gegen die Kraft der Rückstellfeder 43 in der geöffneten Position zu halten.
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Im geöffneten Zustand der Ventil-Einheit 19 kann dann in der üblichen Weise eine Verstellung der Kolbenstange 9 relativ zum Gehäuse 1 in Richtung der Achse 2 vorgenommen werden. Es wird hierbei – je nach Verstellrichtung – Fluid aus dem Teil-Gehäuse-Raum 13 in den Speicherraum 24 oder umgekehrt gedrückt. Entsprechend strömt Druckgas aus dem Ausgleichsraum 15 in den Teil-Gehäuse-Raum 14 oder umgekehrt. Eine Ausschubbewegung der Kolbenstange 9 wird hierbei durch den Druck des Gases im Ausgleichsraum 15 und im Teil-Gehäuse-Raum 14 in bekannter Weise unterstützt.
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Um die Kolbenstange 9 wieder relativ zum Gehäuse 1 in Richtung der Achse 2 zu blockieren, muss die die Ventileinheit 19 geschlossen werden. Dazu wird in der Magnetspule 33 die Stromrichtung durch Umpolung an den Litzen 34 und 35 gegenüber der Polung zum Öffnen der Ventileinheit 19 umgekehrt. Dadurch bildet sich bei Bestromung der Magnetspule 33 ein Magnetfluss aus, der entgegen der in 2 gezeichneten Richtung verläuft und den durch den Permanentmagnet 42 erzeugen magnetischen Fluss schwächt. Wird der resultierende Magnetfluss 49 soweit geschwächt, dass die sich die ergebende magnetische Kraft auf das Ventil-Betätigungs-Element 25 geringer ist als die Kraft aus der Rückstellfeder 43, wird das Ventil-Betätigungs-Element 25 längs der Achse 2 in Richtung Ventilsitz 28 geschoben.
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Liegt die Anlagefläche des Ventil-Betätigungs-Elements auf dem Ventilsitz 28 auf, kann kein Fluid aus dem Teil-Gehäuse-Raum 13 in den Speicherraum 24 oder umgekehrt strömen. Aufgrund des jetzt großen Raumes 47 ist der Betrag des resultierenden Magnetflusses 49 aus Magnetspule 33 und dem Permanentmagnet 42 geringer. Die Bestromung der Magnetspule 33 kann jetzt aufgehoben werden; der durch den Permanentmagnet 42 erzeugte Anteil am magnetischen Fluss 49 und die sich daraus ergebende magnetische Kraft ist kleiner als die durch die Rückstellfeder 43 erzeugte Gegenkraft. Das Ventil-Betätigungs-Element 25 wird durch die Rückstellfeder 43 in der geschlossenen Position gehalten.
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Es kann zweckmäßig sein, für die Rückführung des Magnetflusses 49 den die Magnetspule 33 umgebenden Bereich des aus Stahl, also ferromagnetischem Werkstoff, bestehenden Gehäuses 1 zu verwenden. In diesem Fall kann der innerhalb des Gehäuses 1 bis zur Magnet-Spule 33 verfügbare Raum vollständig für die Magnetspule 33 verwendet werden. Dies ist beispielsweise besonders bei sehr schlanken Längen-Verstell-Vorrichtungen zweckmäßig. Bei der geschilderten Verschiebebewegung des Ventil-Betätigungs-Elementes 25 wird der Verschieberaum 47 in seinem Volumen verändert. Durch den Ringspalt 36 zwischen dem Element 25 und dem Magnetgehäuse 31 fließt hierzu das Fluid in der einen oder anderen Richtung. Da das Element 25 einen zylindrischen Querschnitt hat, wirkt auch bei geöffneter Ventileinheit 19 auf beide Enden des Elements 25 derselbe Druck, so dass auch beim Öffnen der Ventileinheit 19 das Element 25 mit einander entgegenwirkenden gleichen Druckkräften beaufschlagt wird. Zur Verstellung der elektromagnetischen Ventil-Betätigungs-Einheit 30 müssen also nur die geringfügigen Reibungskräfte und die Kraft der Rückstellfeder 43 überwunden werden. In stromlosem Zustand der Ventil-Betätigungs-Einheit 30 kann die Ventileinheit 19 geschlossen oder geöffnet sein, hat also zwei stabile Schaltzustände. Die Zeiten um die Ventileinheit von dem geschlossenen in den geöffneten Zustand und umgegehrt zu bewegen, sind sehr kurz (kleiner 100 ms). Dadurch wird zum Schalten nur ein kurzer Stromimpuls benötigt; die benötigte elektrische Energie ist dadurch gering.
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Die geschilderte Längen-Verstell-Vorrichtung kann auch ausschließlich mit Druckgas gefüllt sein. In diesem Fall bedarf es nicht eines Trennkolbens 16. Am Aufbau und der Funktion würde sich ansonsten nichts ändern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0614632 B2 [0002, 0004, 0005]
- DE 102006009887 [0005, 0005]
